我国龙卷发生机理和结构演变的大涡模拟研究

Tornadoes are extremely hazardous small-scale weather systems. The understanding and forecast of tornado processes are key scientific issues in the realm of meteorology. As it happens that significant tornado cases occur more frequently in China in recent years, theoretical studies on tornadoes in China are crucial and urgent. However, it is hard to capture the detailed structures on the tornadic scale either through observations or numerical simulations. This research program aims at studying the formation, structure and evolution of typical tornadoes in China through idealized large eddy simulation that reproduce the key information of real cases. Key issues of the study includes the source of the tornado vortex, the intensification of the near-surface vorticity, the formation of the tornado funnel cloud, the detailed structure inside the tornado, as well as the maintenance and demise of the tornado. The schematic model of tornado formation and development under typical synoptic background in China will be generalized, with comparison to the typical tornadoes in United States. Besides improving our understanding of tornadoes domestically, this study may well be helpful in modifying the current theory of tornadoes worldwide as well.

龙卷是破坏力极强的小尺度灾害性天气系统，对其发生发展过程的理解和预报是气象学领域的前沿科学问题。在近年来我国龙卷强风灾害多次发生的大背景下，迫切需要针对我国龙卷的理论研究工作。然而，现有的技术手段难以实现对于龙卷本体结构的精细化观测和模拟。本项目拟通过设计接近实际个例的龙卷大涡模拟，深入了解我国典型龙卷的发生机理和结构演变，包括龙卷涡度的来源、近地面涡度的增强过程、龙卷漏斗云的形成过程、龙卷内部的精细化结构以及龙卷的维持和消亡过程，并与美国典型龙卷的发生发展过程进行对比，得到我国典型天气背景下的龙卷发生发展概念模型。这一方面可以增进了解我国特殊的地理和天气背景下龙卷的发生发展机制，还将有可能完善国际上关于龙卷形成机制的现有理论体系，具有重要的科学意义和实际应用价值。

龙卷研究是我国气象学领域的薄弱环节。本项目紧盯国家需求，紧密围绕龙卷天气过程开展系列科学研究，积极推进我国龙卷业务的建立和提升。除项目计划书中列出的基于理想化大涡模拟的我国龙卷发生机理和结构演变研究以外，项目负责人针对国家的实际需求将研究拓展到了龙卷强度等级和预警业务研究、龙卷灾害调查和观测分析研究、基于资料同化和实际模拟的龙卷数值模拟和机理分析研究三个领域。项目负责人作为第一起草人编制气象行业标准《龙卷强度等级》及其修订版本国家标准《龙卷风强度等级》。气象行业标准现已发布实施，国家标准已完成编制工作并上报国务院审批。作为主要起草人参与完成了《我国龙卷风监测预报预警面临的难题及对策建议》，以《气象专报》上报，被中共中央办公厅单篇采用。牵头组建灾害天气国家重点实验室“龙卷追风小组”。多次作为中国气象局专家组成员，开展重大龙卷灾害现场调查和评估，结合观测数据和无人机航拍资料研究龙卷致灾路径特征和规律，撰写学术论文。相关研究工作多次被《中国气象报》采访报道。受国家留学基金委国家公派博士后项目资助，项目负责人在美国俄克拉荷马大学风暴分析与预报中心访问，深入学习美国在龙卷数值模拟和龙卷预报预警的先进技术和经验，参加美国龙卷春季预报试验和龙卷预报培训等科研学术活动。应《气象科技进展》期刊编辑部邀请，先后撰写龙卷数值模拟和龙卷预报预警业务体系建设研究综述，获评气象科技前沿动态研究优秀报告。开展龙卷可分辨尺度数值模拟，首次给出我国龙卷的精细化三维模拟结构及其生成、维持和消亡过程。分析龙卷涡旋的垂直发展规律，指出近地面涡度替换过程对龙卷强度变化的影响，提出锢囚下沉气流的切断作用对龙卷消亡的影响。